用于加速器的緩存一致互聯協議（CCIX）是指由一家新的行業標準機構 – CCIX聯盟 -- 開發的一組規范。CCIX的驅動因素是需要比當前可用技術更快的互連，并且需要緩存一致性，以便在異構多處理器系統中更快地訪問內存。因此，該聯盟的工作集中在使硬件加速器以緩存一致的方式使用與多個處理器共享的內存。本文介紹了CCIX標準及其對于機器學習、網絡處理、存儲卸載和內存數據庫等高性能應用的主要優勢。

什么是緩存一致性?

當多個CPU共享共同的內存空間時，它們可以通過交流該內存中各部分已緩存的和/或可緩存的狀態來提高性能。通過這種方式，每個CPU都可以安全地處理公用數據集的某一部分，而不必使用（緩慢的）軟件旗語來控制內存的存取的數據完整性。假設CPU A已經緩存了一塊內存，它就可以確保CPU B不會修改該同一內存空間或使用該數據的過時版本。CCIX擴展了這種通信機制，以便使CPU之外的代理也可以參與進來，這使得硬件加速器也能夠獲得同樣的好處。CCIX的一致性協議也是獨立于供應商的，所以，CPU、GPU和其他加速器都可以平等地參與進來，而不會遇到麻煩的許可證限制。

為了更好地理解緩存一致性，我們先來看一個一段時間以來很通用的協議，即MESI。縮寫詞MESI是指系統中的每個緩存行的四種可能的狀態：Modified（被修改的），Exclusive（獨占的），Shared（共享的）或者Invalid（無效的）。“被修改的”意味著某個緩存行僅存儲在當前緩存中，并且與主內存中的數據不同（用緩存的話語來說就是“臟的”（dirty））。如果某個地址被在系統中的某個地方標記為“被修改的”，則當任何其他代理試圖讀取該地址時，將導致該緩存（其擁有該地址的被修改數據）把數據寫回主內存，然后才能進行讀取操作。“獨占的”緩存行也僅存儲在當前緩存中，但它與主內存中的數據相一致（用緩存的話語來說就是“干凈的”（clean））。如果擁有該緩存行的代理對它進行修改，則狀態將切換為“獨占的”。“共享的”緩存行與“獨占的”緩存行一樣也是“干凈的”，但它也可能存在于系統中的其他緩存中（它在那里也將處于“共享的”狀態）。最后，“無效的”緩存行正是它的名稱一樣 –– 指某個未使用的或不再有效的緩存行。顯然，這種系統中的各種緩存必須彼此交流多條信息。他們必須支持窺探（snoop）或監視來自其他代理的總線事務，以確定其緩存狀態何時需要更改，并且它們必須擁有某種方法與系統中的其他緩存交流狀態的變化。

CCIX協議規范定義了一組緩存狀態以及相關的消息和機制，以便完成這些相同的一般類型的行為。雖然完整的詳細信息僅提供給CCIX聯盟會員，但本文將對協議規范進行高層次的概述。
為什么選擇CCIX實現緩存一致性？

CCIX規范的最大優勢之一是它建立在PCI? Express規范的基礎之上。CCIX的一致性協議只需很少修改或者無需修改就可以通過PCI Express鏈路傳遞。如圖1所示，某個現有的PCI Express控制器實施可以通過邏輯進行擴展，以實現CCIX事務層。CCIX事務層負責攜帶一致性消息，而塊 – 即CCIX協議層和鏈路層 -- 負責實現一致性協議本身并對其執行操作。這些塊需要與用于緩存的內部片上系統（SoC）邏輯進行緊密集成，并且可能是特定于該SoC上使用的具體架構。在其今后設計中實現CCIX的SoC設計人員通常希望將CCIX協議及鏈路層與CCIX事務層分開，以使前者能夠與內部SoC邏輯緊密集成。

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圖1：CCIX規范利用PCI Express協議實現CCIX事務層

超越16GT/s

如前所述，CCIX的最大的吸引力之一就是它與PCI Express的兼容性。實際上，CCIX的緩存一致性協議可以通過運行8GT/s或更快速度的任何PCI Express鏈路來傳遞。PCI Express 4.0規定的最高數據速率為16GT/s，這在一條16通道鏈路上可以達到總雙向帶寬約64GB/s，但CCIX聯盟的一些成員需要更大的帶寬。他們認為，通過將傳輸速率提高到25GT/s，一條CCIX鏈路可以在相同的條件下達到100GB/s。這導致出現了一項稱為“擴展速度模式”（ESM）的CCIX特性。由于PCI Express由一個不同的標準化機構所擁有，所以CCIX聯盟選擇了一個聰明的機制用于在具有ESM功能的組件與PCI Express組件之間實現兼容性。希望彼此進行通信的兩個CCIX組件可以通過正常的PCI Express鏈路初始化過程（通常是一個硬件自主過程）進行處理，以達到最高的相互支持的PCI Express速度。自此開始，在主機系統上運行的軟件可以詢問CCIX特定的配置寄存器，并確定兩個組件是否都具備ESM能力。如果具備的話，則確定它們的最高支持速度。該軟件然后在兩個組件上編寫其他CCIX特定的寄存器，以便把PCI Express鏈路速度映射為CCIX ESM鏈路速度。自此以后，鏈路協商將針對CCIX ESM速度，因此，通過強制進行鏈路重新訓練，這兩個組件現在可以以高達25GT/s的速度進行通信。

小結

如果設計人員打算尋找一種緩存一致性互連途徑，以便從當今主流的PCI Express接口獲得相對容易的遷移路徑，他們應考慮把CCIX用于他們的下一個高性能SoC。Synopsys公司完整的CCIX IP解決方案建立在通過了硅驗證的、面向PCI Express 4.0的DesignWare?IP基礎之上，后者在超過1500個設計中得到了驗證，并且已經交付了數十億套。該解決方案支持緩存一致性而且速度可以高達25 Gbps。作為CCIX聯盟和PCI-SIG的積極成員，Synopsys公司將繼續在CCIX、PCI Express和相關技術領域進行創新，以確保這些生態系統能夠滿足數據密集型云計算應用的高性能連接要求。